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新方法设计出精度低于10纳米的纳米材料

一种新方法可以设计精度低于10纳米的纳米材料。它可以为更快、更节能的电子产品铺平道路。DTU和GrapheneFlagship研究人员将纳米材料图案化艺术提升到了一个新的水平。2D材料的精确图案化是使用2D材料进行计算和存储的一种途径,与当今的技术相比,它可以提供更好的性能和更低的功耗。

最近物理学和材料技术领域最重要的发现之一是二维材料,如石墨烯。石墨烯比任何其他已知材料更坚固、更光滑、更轻,并且在导热和导电方面更好。

它们最独特的功能可能是它们的可编程性。通过在这些材料中创造精致的图案,我们可以显着改变它们的特性,并可能准确地制造出我们需要的东西。

在DTU,十多年来,科学家们在1500m2洁净室设施中使用先进的光刻机,致力于改进2D材料图案化的最新技术。他们的工作基于DTU的纳米结构石墨烯中心,由丹麦国家研究基金会和石墨烯旗舰的一部分提供支持。

DTUNanolab中的电子束光刻系统可以将细节写到10纳米。计算机计算可以准确预测石墨烯中图案的形状和大小,以创造新型电子产品。它们可以利用电子的电荷和量子特性,例如自旋或谷自由度,从而以低得多的功耗进行高速计算。然而,这些计算要求的分辨率比最好的光刻系统所能提供的分辨率更高:原子分辨率。

“如果我们真的想为未来的量子电子学打开宝库,我们需要在10纳米以下并接近原子尺度,”DTU物理学教授兼组长PeterBøggild说。

而这正是研究人员成功做到的。

“我们在2019年展示了仅12纳米间距放置的圆孔将半金属石墨烯变成半导体。现在我们知道如何创建圆孔和其他形状,如三角形,具有纳米尖角。这种图案可以根据他们的自旋并创造自旋电子学或谷电子学的基本组件。该技术也适用于其他2D材料。通过这些超小型结构,我们可以创建非常紧凑且电可调的超透镜,用于高速通信和生物技术,“PeterBøggild解释说。

锋利的三角形

该研究由博士后LeneGammelgaard领导,她于2013年毕业于DTU工程专业,此后在DTU2D材料的实验探索中发挥了至关重要的作用:

“诀窍是将纳米材料六边形氮化硼放在您想要图案化的材料顶部。然后您用特定的蚀刻配方钻孔,”LeneGammelgaard说,并继续说道:

“我们在过去几年开发的蚀刻工艺将我们的电子束光刻系统的图案尺寸缩小到大约10纳米的牢不可破的极限之下。假设我们制作了一个直径为20纳米的圆孔;然后石墨烯中的孔可以缩小到10纳米。而如果我们制作一个三角形孔,圆孔来自光刻系统,缩小尺寸会制作一个具有自锐角的较小三角形。通常,当你把它们缩小时,图案会变得更不完美。这是相反,这使我们能够重建理论预测告诉我们最佳的结构。”

例如,人们可以生产平面电子元透镜——一种超紧凑的光学透镜,可以在非常高的频率下进行电气控制,据LeneGammelgaard称,它可以成为未来通信技术和生物技术的重要组成部分。

突破极限

另一个关键人物是年轻的学生多特·丹尼尔森(DorteDanielsen)。她在2012年9年级实习后对纳米物理学产生了兴趣,在2014年全国高中生科学竞赛决赛中获得一席之地,并在DTU精英学生荣誉计划下攻读物理和纳米技术。

她解释说,“超分辨率”结构背后的机制仍未得到很好的理解:

“对于这种意外的蚀刻行为,我们有几种可能的解释,但仍有很多我们不明白的地方。不过,这对我们来说是一项令人兴奋且非常有用的技术。同时,对于成千上万的研究人员来说,这也是个好消息全世界都在推动二维纳米电子学和纳米光子学的极限。”

在丹麦独立研究基金的支持下,在METATUNE项目中,DorteDanielsen将继续她对极其锋利的纳米结构的研究。在这里,她帮助开发的技术将用于创建和探索可以电调谐的光学超透镜。

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